Chương 3 : PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
4.4 Các phương pháp điều khiển tốc độ của xe lăn điện
4.4.1 Khái niệm phương pháp điều khiển động cơ điện.
Điều khiển tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thơng. Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu. Có 2 phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ :
Phương pháp 1 : Biến đổi các thơng số đầu ra hay cịn gọi là thông số được điều chỉnh là moment (M) và tốc độ ( ώ ) của động cơ. Có nghĩa là làm thay đổi thông số đầu ra bằng cách tác động lên thông số đầu vào một cách rời rạc. Mỗi lần tác động ta có một giá trị khơng đổi của thơng số đầu vào và tương ứng ta được một đường đặc tính cơ (nhân tạo). Khi động cơ làm việc, các nhiễu loạn sẽ tác động vào hệ (như phụ tải thay đổi, điện áp nguồn dao động …). Nhưng thông số đầu vào vẫn giữ không đổi nên điểm làm việc của động cơ chỉ di chuyển trên một đường đặc tính cơ. Người ta gọi dạng điều chỉnh này là “điều chỉnh bằng tay” hoặc “điều chỉnh vịng hở” hoặc “điều chỉnh khơng tự động” [4].
Phương pháp 2 : Biến đổi các thơng số đầu vào hay cịn gọi là thông số điều chỉnh điện trở phần ứng Rư (hoặc Rfư), từ thơng Φ (hoặc điện áp kích từ Ukt ; dịng điện kích từ Ikt) và điện áp phần ứng Uư . Có nghĩa là nhờ sự thay đổi liên tục của thông số đầu vào theo mức độ sai lệch của thông số đầu ra so với giá trị định trước, nhằm khắc phục độ sai lệch đó. Như vậy khi có tác động của nhiễu làm ảnh hưởng đến thơng số đầu ra, thì thơng số đầu vào sẽ thay đổi và đơng cơ sẽ có một đường đặc tính cơ khác, điểm làm việc của động cơ sẽ dịch chuyển từ đường đặc tính nhân tạo này sang đường đặc tính nhân tạo khác và vạch ra một đường đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động. Việc thay đổi tự động thông số đầu vào được thực hiện nhờ mạch phản hồi ; mạch này lấy tín hiệu từ thơng số đầu ra hoặc một thơng số nào đó liên quan đến đầu ra, đưa trở lại gây tác động lên thông số đầu vào, tạo thành một hệ có liên hệ kín giữa đầu ra và đầu vào. Vì vậy người ta gọi hệ này là hệ “điều chỉnh vịng kín” hoặc “điều chỉnh tự
34 động” [4].
Vì vậy ta khảo sát sự điều chỉnh tốc độ động cơ DC theo phương pháp thứ hai. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác. Khơng những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển khá đơn giản hơn, đồng thời lại đạt được chất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng [4].
- Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lượng hệ thống điều chỉnh tốc độ.
Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện :
A. Hướng điều chỉnh tốc độ.
B. Phạm vi điều chỉnh tốc độ ( dãy điều chỉnh tốc độ). C. Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ.
D. Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ. E. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ.
F. Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ.
4.4.2 Phương pháp điều khiển xe lăn điện.
Trong đề tài này nhóm sinh viên áp dụng sự thay đổi điện áp trên động cơ để làm thay đổi tốc độ xe lăn điện. Với phương pháp điều khiển làm thay đổi độ rộng xung áp trên động cơ xe lăn ta có thể dễ dàng hiệu chỉnh tốc độ động cơ theo từng chế độ cụ thể.
Hình 4.6: Xung áp điều khiển tốc độ xe lăn điện.
35
có hai phương pháp làm thay đổi độ xung áp như sau:
- Thay đổi độ rộng xung áp điểu khiển tốc độ xe điện dùng biến trở.
- Thay đổi độ rộng xung áp điều khiển tốc độ xe điện dùng Hall_Sensor.
Ở mỗi cách thức điều khiển tốc độ xe lăn đều có những tiện lợi riêng, tuy vậy việc sử dụng Hall_sensor để điều khiển tốc độ xe lăn điện sẽ đạt được tốc độ ổn định và độ bền cơ học cao.
Cách 1: Thay đổi độ rộng xung áp điều khiển tốc độ xe điện dùng biến trở:
Biến trở mắc trong mạch được nối với tay ga điều khiển bên ngoài, khi vặn tay ga làm thay đổi giá trị điện trở bên trong mạch sẽ dẫn đến thay đổi giá trị điện áp của mạch, tín hiệu áp thay đổi này được đưa vào ngõ RA1/AN1 của PIC16F876, qua xử lý tín hiệu điều khiển sẽ được xuất ra điều khiển thay đổi tốc độ xe điện [4].
Khác với cách điều khiển tốc độ của một động cơ thông thường, việc điều khiển tốc độ xe lăn điện khó khăn và phức tạp hơn nhiều. Chúng ta không đơn thuần chỉ thay đổi điện áp của động cơ mà cần phải lập trình sao cho tốc độ động cơ thay đổi trong một khoảng thời gian trì hỗn nhất định gọi là bước tăng (đơn vị: sec), mỗi bước tăng dài hay ngắn quyết định sự thay đổi tốc độ động cơ nhanh hay chậm. Mỗi bước tăng là một xung điều khiển tốc độ động cơ, ta có thể tăng các nấc của bước tăng từ 0 đến 255. Vậy thời gian để đạt được tốc độ tối đa của xe lăn trong một chế độ hoạt động (có chọn trước) là [4]:
T = Thời gian tăng một bước × Số bước cực đại.
Nếu bước tăng quá ngắn sẽ làm cho động cơ thay đổi tốc độ đột ngột, do vậy dễ gây ngã và sốc cho người sử dụng. Còn nếu bước tăng quá dài sẽ tạo khoảng thời gian ì quá lâu, động cơ sẽ không nhạy trong việc thay đổi tốc độ, gây mất thời gian và tạo sự nhàm chán cho người sử dụng. Chính vì vậy việc lập trình tạo ra một bước tăng phù hợp sẽ đảm bảo tối ưu trong việc điều khiển tốc độ động cơ.
36
Cách 2: Thay đổi độ rộng xung áp điều khiển tốc độ xe điện dùng Hall_Sensor:
Khác với phương pháp dùng biến trở, khi dùng Hall_Sensor ta có thể thay đổi trực tiếp giá trị điện áp cấp cho động cơ, mỗi Hall_Sensor được mắc giữa hai đầu từ trường cố định, tùy vào vị trí tương đối của Hall_sensor ta có những giá trị điện áp khác nhau. Cách điều khiển tốc độ động cơ cho xe lăn điện tương tự như dùng biến trở .Tuy nhiên khi dùng Hall_Sensor trong điều khiển, chúng ta sẽ giảm đi sự ma sát của hệ thống khi thay đổi giá trị điện trở, do vậy bộ nguồn sẽ có độ bền cao hơn so với khi dùng biến trở thông thường.
Cảm biến Hall là một bộ biến đổi làm thay đổi điện áp ngõ ra dựa trên sự thay đổi của từ trường. Cảm biến Hall được dùng cho các công tắc tương tự, máy đo tốc độ và dị vị trí, và các dịng điện ứng dụng. Nhìn một cách đơn giản nhất cảm biến Hall như là một bộ biến đổi Analoge, làm thay đổi các giá trị điện áp thực. Với một giá trị từ trường biết trước và khoảng dịch chuyển của cảm biến Hall ta có thể suy ra giá trị điện áp tức thời ngay tại thời điểm đó. Nếu dùng kết hợp nhiều cảm biến thì mối quan hệ giữa các từ trường cần được quan tâm [4].
Dòng điện chạy trong cuộn dây và sinh ra từ trường làm biến thiên dòng điện và cảm biến Hall có thể dùng để đo dịng điện tại thời điểm tức thời . Cụ thể như cảm biến kết hợp với một cuộn dây hay những tấm thép từ xung quanh cuộn cảm thì có thể đo được dịng điện [4].
Thơng thường một cảm biến Hall kết hợp với dòng điện chạy trong thiết bị để làm khóa đóng ngắt kỹ thuật số (on/off).
Hình 4.7: Cảm biến Hall và nguyên tắc hoạt động [4].
Hall_sensor được kết hợp tạo thành hệ thống tay ga, việc điều chỉnh tay ga tăng hay giảm sẽ tác động trực tiếp đến điện áp điều khiển xe lăn điện. Mỗi
37
Phạm vi thay đổi của Hall_Sensor
Hall_sensor được cấu tạo như sau:
S S
N N
Hình 4.8: Cấu tạo của một Hall_Sensor [4]. 4.5 Các chế độ hoạt động trên xe lăn điện 4.5 Các chế độ hoạt động trên xe lăn điện
Khác với các loại xe lăn điện thông thường, với bộ điều khiển kết nối với hệ thống cơ khí được thiết kế tương đối hồn hảo ta có thể vận hành và điều khiển được xe lăn hoạt động khá tốt [4].
Do sử dụng nguồn điện Acquy trong quá trình vận hành nên khi hoạt động, xe lăn điện càng tiết kiệm năng lượng càng mang lại hiệu quả hoạt động cao hơn. Đồng thời nhằm tạo ra sự thuận lợi và tối ưu nhất trong việc điều khiển, nhóm sinh viên đã lập trình cho bộ nguồn với 3 chế độ hoạt động, đây cũng là điểm mới và mang tính thích nghi cao của đề tài, các chế độ như sau:
- Chạy chậm.
- Chạy ở dường bằng phẳng.
- Chạy ở đường dốc.
4.6 Các lỗi được cảnh báo trong quá trình hoạt động.
Hệ thống đèn led cảnh báo là một trong những lợi thế và là một yếu tố cần thiết trong quá trình vận hành xe lăn điện. Nhờ hệ thống đèn cảnh báo người sử dụng sẽ dễ dàng nhận biết được những lỗi và các trạng thái của các yếu tố như mức pin, độ nhạy của cảm biến, động cơ…tạo sự an toàn và tin cậy cho người sử dụng [4].
Do đó hệ thống cảnh báo hoạt động có ổn định hay khơng quyết định tính năng tin cậy cho xe lăn điện:
38
- Cảnh báo lỗi động cơ.
- Cảnh báo lỗi công suốt điều khiển.
- Cảnh báo q dịng.
4.7 Quy trình điều khiển xe lăn.
Nhằm đảm bảo an toàn và thuận tiện cho người sử dụng, bộ điều khiển được thiết kế và gắn vào đầu trước của xe lăn điện, điều này cũng tạo cảm giác dễ dàng cho việc điều chỉnh hướng chạy của xe.
Trước khi khởi động xe ta cần lựa chọn chế độ hoạt động của xe đã được lập sẵn như: chạy chậm, chạy đường bằng phẳng, chạy đường dốc.
Để đảm bảo sự an toàn trước khi vận hành xe, tác giả đã đề ra quy trình khởi động xe như sau:
Hình 4.9: Quy trình khởi động xe lăn điện.
Khi khởi động cần làm đúng trình tự trên thì xe lăn mới hoạt động được, việc làm đúng trình tự trên sẽ đảm bảo được hai vấn đề sau:
• Kiểm tra được thắng xe có hoạt động tốt hay khơng bằng quy trình bóp và nhả thắng.
• Kiểm tra sự hoạt động của tay ga trước khi vận hành xe lăn điện bằng quy trình lên ga và giảm ga.
4.8 Chọn PIC16F876 để điều khiển.
BÓP THẮNG
LÊN GA GIẢM GA
NHẢ THẮNG
39
PIC16F876 là một vi điều khiển được chế tạo theo công nghệ RISC của hãng Microchip, có 28 chân.
Hình 4.10: Sơ đồ chân của PIC16F876 [2].
Các thơng số chính của PIC16F876 [2]:
- Tập lệnh: gồm 35 lệnh đơn, gần như các lệnh được thực hiện trong một chu kỳ lệnh (một chu kì lệnh bằng 4 lần chu kỳ xung clock) ngoại trừ các lệnh rẻ nhánh thực hiện trong 2 chu kì lệnh.
- Tần số hoạt động: 0 – 20 MHz, chu kỳ lệnh ở tần số 20 MHz là 200 ns.
- Bộ nhớ chương trình (FLASH ROM): 8Kx14bit.
- Bộ nhớ dữ liệu: gồm 368 byte RAM và 256 byte EEPROM.
- Điện áp làm việc: 2 V đến 5 VDC.
- Dòng điện điều khiển: 25 mA cho cả mức HIGH và LOW.
- Số nguồn ngắt: 13.
- Chức năng WATCHDOG hoạt động với bộ dao động RC bên trong vi điều khiển.
- PIC16F876 có 3 bộ timer, trong đó timer0 và timer2 8 bit, timer1 16 bit.
- Có 5 kênh chuyển đổi tương tự số (ADC) 10 bit.
- 2 bộ PWM với độ phân giải 10 bit.
40 R 1 6 1 0 K C 8 1 0 / 5 0 1 2 V U 5 5 V 5 V R 2 2 8 2 0 V _ B A T V _ H A L L v r e f + R 3 1 2 K 2 3 V _ Q U A _ D O N G 1 2 3 4 5 6 7 M C R L / V P P R A 0 / A N 0 R A 1 / A N 1 R B 7 / P G D R P 6 / P G C R B 5 R A 2 / A N 2 / V R E F - / C V R E F R B 4 R A 3 / A N 3 / V R E F + R B 3 / P G M 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 R 2 3 2 2 0 D 3 R 2 4 2 2 0 D 4 R 2 5 2 2 0 D 5 R 2 7 2 2 0 D 6 R 2 9 2 2 0 D 7 R 3 0 2 2 0 D 8 L E D L E D L E D L E D L E D L E D 1 0 K R A 4 / T O C K I / C 1 O U T R A 5 / A N 4 / S S / C 2 O U T C 1 0 Y 1 1 0 u F C 1 1 4 M C 1 2 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 R B 2 R B 1 R B 0 / I N T Q 5 J 1 T H _ T H A N G C 8 2 8 O S C 1 / C L K I O S C 2 / C L K O R C O / T 1 O S O / T 1 C K I R C 1 / T 1 O S I / C C P 2 R C 2 / C C P 1 R C 3 / S C K / S C L 1 2 R C 7 / R X / D T R C 6 / T X / C K R C 5 / S D O R C 4 / S D I / S D A 1 8 1 7 1 6 1 5 D I A _ H I N H _ D O C R 3 2 1 0 K T H A Y D R 3 3 2 . 2 K 2 2 P P W M P R O T E C T
4.9 Thiết kế và lập trình điều khiển cho xe lăn.
4.9.1 Mơ hình hóa hệ thống điều khiển.
Hình 4.11: Mơ hình hóa hệ thống điều khiển.
4.9.2 Tính tốn và thiết kế mạch liên quan cho các khối chức năng của bộ điều khiển. khiển.
4.9.2.1 Mạch điều khiển chính.
Hình 4.12: Sơ đồ mạch điều khiển chính [3].
Tín hiệu điện cơ (EMG) Tín hiệu joystick
Khối xử lí trung tâm
41
Trong sơ đồ mạch điều khiển chính, IC16F876 đóng vai trị quyết định việc điều khiển, là linh kiện quan trọng nhất của bộ nguồn. Các tín hiệu điều khiển được vào các ngõ vào của PIC16F876 để xử lý sau đó xuất các giá trị xung áp điều khiển toàn bộ hệ thống [3].
PIC 16F876A sử dụng thạch anh 20 MHz để tạo xung do vậy ta có một chu kỳ máy là: T = 1
𝐹 = 1
20 = 0.5 ms.
Đồng thời TL431 ( một transistor có khả năng điều chỉnh điện áp, đóng vai trị ổn áp trong mạch kêt hợp với cầu phân áp tạo nên nguồn áp ổn định cho PIC 16F876, tạo một giá trị Vref (điện áp chuẩn) phục vụ cho việc lập trình điều khiển động cơ.
4.9.2.2 Mạch đo tính hiệu quá dòng.
A. Sơ đồ mạch:
42 B. Nguyên lý hoạt động của mạch [3]:
Đây là mạch khuếch đại DC.
Khi quá dịng, dịng điện được ổn định thơng qua cuộn dây sau đó được đưa qua mạch trừ của opam OP07, tín hiệu sau khi so sánh sẽ được đưa vào vi điều khiển để xử lý, đồng thời vi xử lý ra lệnh cho các cơ cấu chấp hành thực thi công việc phù hợp để xử lý lỗi.
4.9.2.3 Mạch bảo vệ khi xảy ra quá dòng.
A. Sơ đồ mạch:
43 B. Nguyên lý hoạt động của mạch [3]:
Khi mạch hoạt động bình thường, Q7 ngưng dẫn tín hiệu ra ở ngõ Protect ở mức 0, nguồn pin cung cấp kích cho Q6, đóng relay cho mạch hoạt động.
Khi có sự cố xảy ra tín hiệu sẽ dưa vào vi điều khiển xử lý, sau đó vi điều khiển xuất tín hiệu ngõ ra chân Protect là mức 1, do vậy Q7 dẫn và Q6 ngưng nên relay bị ngắt, tắt nguồn cung cấp cho mạch. Các linh kiện điện tử được sử dụng như C828, D486 đóng vai trị như các khóa đóng ngắt và kích dẫn bàng tín hiệu điện áp.
4.9.2.4 Mạch chọn lựa các chế độ của xe.
A. Sơ đồ mạch:
• Chọn chế độ chạy nhanh, chậm:
Hình 4.15: Mạch thay đổi chế độ chạy nhanh, chậm [3].
- Với các giá trị điện trở như sau:
44
• Chọn chế độ chạy đường bằng phẳng, đường dốc: